CN111579146A - 一种基于远距离无线通信技术的sf6压力在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统。该系统包括：Lora无线汇集设备、物联网服务器以及多个SF6无线压力传感器；其中，所述Lora无线汇集设备用于接收各所述SF6无线压力传感器发来的测量数据，并将所述测量数据转发至所述物联网服务器；所述物联网服务器用于接收所述Lora无线汇集设备发送的所述测量数据，存储、展示、分析所述测量数据，并在所述测量数据异常时，显示告警信息；各所述SF6无线压力传感器用于获取所述测量数据，并将所述测量数据通过lora标准通信协议发送至所述Lora无线汇集设备。根据本公开，可以实现对SF6压力状态的实时监测，提升系统运行的安全性。
Description
技术领域
本公开涉及电力物联网技术领域，尤其涉及一种基于远距离无线通信技术的六氟化硫（SF6）压力在线监测系统。
背景技术
六氟化硫（SF6）是一种无毒、无味、无色、非可燃的合成气体，具有一般电介质不可比拟的绝缘特性和灭弧能力，广泛应用于高压断路器、气体绝缘金属封闭开关设备（GASinsulated Switchgear，GIS）等电气设备。
现有的断路器及GIS设备已普遍采用气体密度继电器来就地监视SF6压力，同时依靠气体密度继电器上的压力节点向远方发出SF6压力低报警、压力低闭锁信号。目前在实际运维中，对SF6压力数据的掌握主要依赖于人工读表的方式，受巡检周期、表计安装位置、恶劣天气因素等原因的影响，不能及时发现SF6气体漏泄及其发展趋势，容易出现由于SF6严重漏泄，危及主设备安全，造成主设备损坏及影响系统稳定运行的事故。随着精益化运维和变电物联网建设的需求，有必要对SF6压力状态进行实时监测。
目前，SF6压力在线监测系统中，现场传感器装置与汇集单元或控制中心的通信方式主要依赖于有线或短距离无线通信。有线通信的方式存在安装困难、故障率高的问题，而短距离无线通信则会受到通信距离的限制。
发明内容
本公开实施例提供一种基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统，能够实现对SF6压力状态的实时监测，提升系统运行的安全性。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统，包括：
Lora无线汇集设备、物联网服务器以及多个SF6无线压力传感器；
其中，所述Lora无线汇集设备用于接收各所述SF6无线压力传感器发来的测量数据，并将所述测量数据转发至所述物联网服务器；
所述物联网服务器用于接收所述Lora无线汇集设备发送的所述测量数据，存储、展示、分析所述测量数据，并在所述测量数据异常时，显示告警信息；
各所述SF6无线压力传感器用于获取所述测量数据，并将所述测量数据通过lora标准通信协议发送至所述Lora无线汇集设备。
可选地，其中，所述测量数据中至少包括压力测量值、温度测量值以及所述SF6无线压力传感器标识。
可选地，其中，每个所述SF6无线压力传感器包括：
测量单元，控制单元，电源单元以及通信单元；
其中，所述测量单元用于获取所述压力测量值和所述温度测量值，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于控制所述测量单元获取所述压力测量值和所述温度测量值的周期，存储所述压力测量值和所述温度测量值，并在判断所述压力测量值和所述温度测量值满足预设条件时，控制所述通信单元与Lora无线汇集设备进行通信；
所述电源单元用于为所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元提供工作电压；
所述通信单元用于在所述控制单元的控制下，与所述Lora无线汇集设备进行通信。
可选地，其中，所述测量单元包括：温度传感器，以及SF6压力测量仪或气体密度继电器；
所述温度传感器用于获取所述温度测量值；
所述SF6压力测量仪或所述气体密度继电器用于获取所述压力测量值。
可选地，其中，所述测量单元还包括：
AD转换模块，用于将所述温度测量值转换为数字温度测量值，以及将所述压力测量值转换为数字压力测量值，并将所述数字温度测量值和所述数字压力测量值发送至所述控制单元。
可选地，其中，所述控制单元还用于监测所述测量单元和所述通信单元的工作状态；所述工作状态包括空闲状态、测量状态和无线通信状态。
可选地，其中，所述电源单元包括锂亚电池和电源转换模块；
所述锂亚电池用于提供电源电压，所述电源转换模块用于将所述锂亚电池的电源电压转换为所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元各自对应的工作电压，并输出至所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元。
可选地，其中，所述通信单元通过串口与所述控制单元通信。
可选地，其中，所述控制单元为STM32处理器。
根据本公开实施例的基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统，该系统包括：Lora无线汇集设备、物联网服务器以及多个SF6无线压力传感器；其中，所述Lora无线汇集设备用于接收各所述SF6无线压力传感器发来的测量数据，并将所述测量数据转发至所述物联网服务器；所述物联网服务器用于接收所述Lora无线汇集设备发送的所述测量数据，存储、展示、分析所述测量数据，并在所述测量数据异常时，显示告警信息；各所述SF6无线压力传感器用于获取所述测量数据，并将所述测量数据通过lora标准通信协议发送至所述Lora无线汇集设备。根据本公开，可以实现对SF6压力状态的实时监测，代替了传统人工现场读表方式和现有的有线或短距离无线通信方式，具有安装方便、可靠性高等特点，从而提升系统运行的安全性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本公开实施例的基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统的结构示意图；
图2为本公开实施例的基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统中SF6无线压力传感器的结构示意图；
图3为本公开实施例的基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统中另一SF6无线压力传感器的结构示意图；
图4为本公开实施例的基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统中SF6无线压力传感器的工作状态周期示意图；
图5为本公开实施例的基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统中SF6无线压力传感器的工作状态切换的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开实施例提供一种基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统。如图1所示，该基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统包括：
远程无线电（Long Range Radio，Lora）无线汇集设备、物联网服务器以及多个SF6无线压力传感器。
其中，所述Lora无线汇集设备用于接收各所述SF6无线压力传感器发来的测量数据，并将所述测量数据转发至所述物联网服务器。
需要说明的是，所述Lora无线汇集设备的覆盖距离至少为2km，其可以获取到覆盖区域内的所有SF6无线压力传感器发来的测量数据。Lora无线汇集设备具体可以通过3G/4G/5G无线或有线的方式将数据转发至物联网服务器。
在实际使用中，一个变电站仅需要1-2个Lora无线汇集设备即能满足全部覆盖的需求，且每个Lora无线汇集设备至少可以支持500个以上的SF6无线压力传感器接入。
所述物联网服务器用于接收所述Lora无线汇集设备发送的所述测量数据，存储、展示、分析所述测量数据，并在所述测量数据异常时，显示告警信息。
具体的，该物联网服务器可以是基于共有云或企业自有云的物联网接入平台，运维人员可以通过该物联网服务器实时掌握和了解各个电气设备的SF6气体压力状态和变化趋势，从而及时发现异常情况。
各所述SF6无线压力传感器用于获取所述测量数据，并将所述测量数据通过lora标准通信协议发送至所述Lora无线汇集设备。
如图2和图3所示，SF6无线压力传感器具体可以包括测量单元，控制单元，电源单元以及通信单元。
其中，所述测量单元用于获取压力测量值和温度测量值，并发送至所述控制单元。实际应用中，该测量单元可以安装于断路器、互感器和GIS组合电器等电气设备中，用于测量这些电气设备内部的SF6气体的压力或密度。该测量单元可以通过双层屏蔽电缆与SF6无线压力传感器主体连接，其中一层接地，另一层接设备外壳，从而保证模拟或数字信号不受干扰。
具体的，所述测量单元可以包括：温度传感器，以及SF6压力测量仪或气体密度继电器。其中，所述温度传感器用于获取所述温度测量值；所述SF6压力测量仪或所述气体密度继电器用于获取所述压力测量值。在实际应用中，所述测量单元还包括：AD转换模块，用于将所述温度测量值转换为数字温度测量值，以及将所述压力测量值转换为数字压力测量值，并将所述数字温度测量值和所述数字压力测量值发送至所述控制单元。
在实际使用过程中，该SF6压力测量仪或气体密度继电器采集该压力测量值，该压力测量值例如是电流信号，并将该电流信号转换为AD转换模块所需的电压信号，同时，还可以为该SF6压力测量仪或气体密度继电器提供参考电压信号。
在一个例子中，SF6压力测量仪或气体密度继电器可以通过modbus rtu数字量形式输出压力测量值，且通过RS485接口将压力测量值发送至控制单元。该电流信号的大小例如是4-20mA，可以被转换为0-5V的电压信号，同时，参考电压信号例如可以是12V或者24V。
该温度传感器用于测量环境温度，由于SF6气体压力值跟工作环境的温度相关，如果仪表设备不带自动温度补偿功能，则可根据温度传感器提供的温度测量值来计算温度补偿值。
该AD转换模块可用于将模拟量转换为数字量，并将结果发送给控制单元。在一个例子中，该AD转换模块可以使用TI公司的ADS1115 16位分辨率的高精度模数转换器(ADC)芯片。本实施例对此不作具体限定。
具体的，所述控制单元是SF6无线压力传感器的核心单元，可以完成数据的存储、计算和组包。其中，所述控制单元可以用于控制所述测量单元获取所述压力测量值和所述温度测量值的周期，存储所述压力测量值和所述温度测量值，并在判断所述压力测量值和所述温度测量值满足预设条件时，控制所述通信单元与Lora无线汇集设备进行通信。
可选地，该控制单元可以在到达预设测量值获取周期时控制所述测量单元获取所述压力测量值和所述温度测量值。在到达预设数据发送周期时，控制所述通信单元向所述Lora无线汇集设备发送本周期内新增的所述数字温度测量值和所述数字压力测量值。
其中，所述预设条件可以包括：所述压力测量值或所述温度测量值低于预设阈值。相应的，所述控制单元具体可以用于：在所述压力测量值或所述温度测量值低于所述预设阈值时，控制所述通信单元向所述Lora无线汇集设备发送告警信息。
在一个例子中，将该测量值获取周期记为PMeas，单位为分钟。例如，一个PMeas为5分钟或10分钟。将该预设数据发送周期记为PTX，单位为分钟。该控制单元以PMeas为周期控制测量单元获取压力测量值和温度测量值，并以PTX为周期控制通信单元将压力测量值和温度测量值发送至Lora无线汇集设备，使得运维人员可以及时掌握SF6气体压力的变化趋势。在实际应用中，如果压力测量值在预设阈值范围内，则控制单元可以先存储一定量的压力测量值和温度测量值，以更长的周期将这些测量数据一次性发送给Lora无线汇集设备。
例如，PMeas为5分钟，控制单元存储12次测量结果后一次性将这些数据打包发送给Lora无线汇集设备，则PTX为60分钟。通常情况下通信单元工作时的功耗是该SF6无线压力传感器所有单元里最高的，所以尽量减少通信单元工作的时间对于降低SF6无线压力传感器整体的功耗非常重要。通常，将PTX的值设置为PMeas的数倍。
可选地，所述控制单元可以为低功耗的STM32处理器。在实际应用过程中，可以根据实际需求选择控制单元所用的芯片，本实施例对此不作具体限定。
具体的，所述电源单元用于为所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元提供工作电压。其中，所述电源单元包括锂亚电池和电源转换模块；所述锂亚电池用于提供电源电压，所述电源转换模块用于将所述锂亚电池的电源电压转换为所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元各自对应的工作电压，并输出至所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元。
该锂亚电池例如可以是一次性锂亚电池，输出电压为2.0-3.6V，电源转换模块将锂亚电池的输出电压转换为各个单元的工作电压。例如将2.0-3.6V转换为测量单元所需的12V/24V电压信号等。在实际应用中，该锂亚电池可以采用TL-4920加HLC-1520A组合的方式，即能满足高密度，低自放电特性，又能提供通信单元发送时的瞬时功率需求。
具体的，所述通信单元用于在所述控制单元的控制下，与所述Lora无线汇集设备进行通信。其中，所述通信单元通过串口与所述控制单元通信；所述通信单元通过lora标准通信协议与所Lora无线汇集设备进行通信。
可以理解的是，lora无线通信技术的最大特点是实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。具体的，Lora的传输距离为：城镇可达2-5Km，郊区可达15Km。
在一个例子中，通信单元可以采用集成了ARM Cortex®-M0+（32位RISC内核，工作主频32MHz）MCU和LoRa模组的S78S芯片。由于S78S芯片集成了低功耗CPU和Lora模组，从而最大限度的减小传感器装置的功耗和面积。
需要说明的是，如图4所示，在本实施例中，将SF6无线压力传感器的工作状态设计为：空闲（idle）状态、测量状态和无线通信状态。相应的，所述控制单元还可以用于监测所述测量单元和所述通信单元的工作状态。下面通过表一对SF6无线压力传感器的工作状态进行说明：
表一
| SF6压力测量仪 | 温度传感器 | AD转换模块 | 控制单元 | 通信单元 | |
| Idle状态 | 关闭 | 关闭 | 关闭 | 睡眠状态 | 睡眠状态 |
| 测量状态 | 工作 | 工作 | 工作 | 低功耗状态 | 睡眠状态 |
| 无线通信状态 | 关闭 | 关闭 | 关闭 | 工作 | 工作 |
具体的，在空闲状态，传感器没有测量和通信任务，仅需维持SF6无线压力传感器的正常状态即可。SF6无线压力传感器大多数时间均应该在Idle状态下。在Idle状态下，SF6无线压力传感器内部各个单元应处于关闭状态或睡眠状态。控制单元内部的定时器能唤醒控制单元，从而进一步使得控制单元控制其他各个单元的工作状态。通常地，在Idle状态下SF6无线压力传感器的工作电流仅为几个微安（uA）。
在测量状态，SF6无线压力传感器需完成测量功能。SF6无线压力传感器以PMeas为周期进入测量状态。在测量状态下，SF6无线压力传感器内部仅需跟测量相关的单元或模块工作即可。由于测量状态下的运算和计算要求不高，控制单元可以工作于低功耗状态，这样可以降低控制单元的功耗。测量状态的持续时间定义为TMeas。由于要TMeas远远小于PMeas，所以测量状态下所消耗的功率换算到平均功率就会小很多（TMeas/PMeas）。一般地，TMeas约为500毫秒左右。
在无线通信状态，SF6无线压力传感器能支持无线通信功能。SF6无线压力传感器以PTX为周期进入无线通信状态。在无线通信状态下可以关闭测量相关的单元。控制单元和通信单元处于工作状态。无线通信状态的持续时间定义为TM&Tx。由于要TM&Tx远远小于PTX，所以无线通信状态下所消耗的功率换算到平均功率就会小很多（TM&Tx/PTX）。一般地，TM&Tx约为2秒左右。
如图5所示，SF6无线压力传感器状态大多数情况下都处于Idle状态，每隔TMeas的时间SF6无线压力传感器的状态会从Idle状态进入测量状态，完成测量任务。每次测量任务完成以后，如果测量结果满足预设条件或者满足PTX周期，SF6无线压力传感器会从测量状态进入无线通信状态，否则会从测量状态回到Idle状态。SF6无线压力传感器在完成无线通信任务以后会自动回到Idle状态。从而有效降低SF6无线压力传感器的平均功耗，提高使用寿命和稳定性。
根据本实施例的基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统，通过用于接收各所述SF6无线压力传感器发来的测量数据，并将所述测量数据转发至所述物联网服务器的Lora无线汇集设备；用于接收所述Lora无线汇集设备发送的所述测量数据，存储、展示、分析所述测量数据，并在所述测量数据异常时，显示告警信息的物联网服务器；以及用于获取所述测量数据，并将所述测量数据通过lora标准通信协议发送至所述Lora无线汇集设备的多个SF6无线压力传感器，可以实现对SF6压力状态的实时监测，代替了传统人工现场读表方式和现有的有线或短距离无线通信方式，具有安装方便、可靠性高等特点，从而提升系统运行的安全性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种基于远距离无线通信技术的SF6压力在线监测系统，包括：
Lora无线汇集设备、物联网服务器以及多个SF6无线压力传感器；
其中，所述Lora无线汇集设备用于接收各所述SF6无线压力传感器发来的测量数据，并将所述测量数据转发至所述物联网服务器；
所述物联网服务器用于接收所述Lora无线汇集设备发送的所述测量数据，存储、展示、分析所述测量数据，并在所述测量数据异常时，显示告警信息；
各所述SF6无线压力传感器用于获取所述测量数据，并将所述测量数据通过lora标准通信协议发送至所述Lora无线汇集设备。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述测量数据中至少包括压力测量值、温度测量值以及所述SF6无线压力传感器标识。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，每个所述SF6无线压力传感器包括：
测量单元，控制单元，电源单元以及通信单元；
其中，所述测量单元用于获取所述压力测量值和所述温度测量值，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于控制所述测量单元获取所述压力测量值和所述温度测量值的周期，存储所述压力测量值和所述温度测量值，并在判断所述压力测量值和所述温度测量值满足预设条件时，控制所述通信单元与Lora无线汇集设备进行通信；
所述电源单元用于为所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元提供工作电压；
所述通信单元用于在所述控制单元的控制下，与所述Lora无线汇集设备进行通信。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述测量单元包括：温度传感器，以及SF6压力测量仪或气体密度继电器；
所述温度传感器用于获取所述温度测量值；
所述SF6压力测量仪或所述气体密度继电器用于获取所述压力测量值。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述测量单元还包括：
AD转换模块，用于将所述温度测量值转换为数字温度测量值，以及将所述压力测量值转换为数字压力测量值，并将所述数字温度测量值和所述数字压力测量值发送至所述控制单元。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述预设条件包括：所述压力测量值或所述温度测量值低于预设阈值；
所述控制单元具体用于：在到达预设测量值获取周期时控制所述测量单元获取所述压力测量值和所述温度测量值；
在到达预设数据发送周期时，控制所述通信单元向所述Lora无线汇集设备发送本周期内新增的所述数字温度测量值和所述数字压力测量值；
在所述压力测量值或所述温度测量值低于所述预设阈值时，控制所述通信单元向所述Lora无线汇集设备发送告警信息。
7.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制单元还用于监测所述测量单元和所述通信单元的工作状态；所述工作状态包括空闲状态、测量状态和无线通信状态。
8.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电源单元包括锂亚电池和电源转换模块；
所述锂亚电池用于提供电源电压，所述电源转换模块用于将所述锂亚电池的电源电压转换为所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元各自对应的工作电压，并输出至所述测量单元、所述控制单元和所述通信单元。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通信单元通过串口与所述控制单元通信。
10.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制单元为STM32处理器。
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